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P43272A2014 Pearson Education Ltd.
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*P43272A0128*
PhysicsAdvancedUnit 5: Physics from Creation to Collapse
Thursday 19 June 2014 MorningTime: 1 hour 35 minutes
6PH05/01R
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Instructions
t Use black ink or ball-point pen.t Fill in the boxes at the top
of this page with your name, centre number and candidate number.t
Answer all questions.t Answer the questions in the spaces provided
there may be more space than you need.
Information
t The total mark for this paper is 80. t The marks for each
question are shown in brackets use this as a guide as to how much
time to spend on each question.t Questions labelled with an
asterisk (*) are ones where the quality of your written
communication will be assessed you should take particular care with
your spelling, punctuation and grammar,
as well as the clarity of expression, on these questions.
t The list of data, formulae and relationships is printed at the
end of this booklet.t Candidates may use a scientific
calculator.Advice
t Read each question carefully before you start to answer it.t
Keep an eye on the time.t Try to answer every question.t Check your
answers if you have time at the end.
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2*P43272A0228*
SECTION A
Answer ALL questions.
For questions 110, in Section A, select one answer from A to D
and put a cross in the box . If you change your mind, put a line
through the box and then
mark your new answer with a cross .
1 The average kinetic energy of the molecules in an ideal gas
is
A directly proportional to the square root of the absolute
temperature.
B directly proportional to the absolute temperature.
C independent of the absolute temperature.
D inversely proportional to the absolute temperature.
(Total for Question 1 = 1 mark)
2 A sample of an ideal gas at 27 C is placed in a sealed
container. The gas is heated at constant volume to a temperature of
324 C. The ratio of the final pressure to the initial pressure
exerted by the gas is approximately
A 1
B 2
C 4
D 12
(Total for Question 2 = 1 mark)
3 If an oscillating system is completely undamped, the
system
A exhibits simple harmonic motion.
B is said to be a free oscillation.
C obeys Hookes law.
D oscillates indefinitely.
(Total for Question 3 = 1 mark)
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3*P43272A0328* Turn over
4 A mass is hanging vertically from a spring. The mass is set
into small amplitude vertical oscillations. The total energy of the
undamped oscillating system is
A a maximum at an extreme position of the mass.
B a maximum at the mean position of the mass.
C a minimum at the mean position of the mass.
D the same at all positions of the mass.
(Total for Question 4 = 1 mark)
5 If the surface temperature of the Sun were to double, the rate
at which energy from the Sun is received on the Earth would
increase by a factor of
A 2
B 4
C 8
D 16
(Total for Question 5 = 1 mark)
6 When light from the galaxy in Andromeda is analysed, it is
found that the wavelengths are shorter than expected. This tells us
that the galaxy is
A moving towards us.
B moving away from us.
C a very distant galaxy.
D rotating on an axis.
(Total for Question 6 = 1 mark)
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4*P43272A0428*
7 Water at 100 C turns into steam at 100 C. Which of the
following statements is true?
A The internal energy is unchanged, but the kinetic energy of
the molecules increases.
B The internal energy is unchanged, but the potential energy of
the molecules increases.
C Both the internal energy and the kinetic energy of the
molecules increase
D Both the internal energy and the potential energy of the
molecules increase
(Total for Question 7 = 1 mark)
8 The SI unit for mass is the kilogram. However, particle
physicists often use the alternative unit
A MeV
B MeV/c
C MeV/c2
D MeV2/c2
(Total for Question 8 = 1 mark)
9 The fuel used in a nuclear fission reactor is uranium. Which
of the following is required for fission to proceed?
A Neutrons must be removed from the reactor core.
B The reactor core must be very hot.
C The uranium nuclei must absorb neutrons.
D The uranium nuclei must absorb protons.
(Total for Question 9 = 1 mark)
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5*P43272A0528* Turn over
10 An object is undergoing simple harmonic motion. Which graph
shows how the acceleration a varies with displacement x from the
equilibrium position?
A
B
C
D
(Total for Question 10 = 1 mark)
TOTAL FOR SECTION A = 10 MARKS
a
0x
A
a
0x
B
a
0x
C
a
0x
D
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6*P43272A0628*
SECTION B
Answer ALL questions in the spaces provided.
*11 A student uses the apparatus shown below to investigate the
behaviour of a mass-spring system when it is forced into
oscillation.
The graph shows how the amplitude of the oscillating mass varies
over a range of forcing frequencies.
Curve A shows the results of the investigation using the
apparatus as shown.
The student repeats the investigation with the oscillating mass
in a beaker of water. Curve B shows these results.
ampl
itude
forcing frequency
A
B
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7*P43272A0728* Turn over
Making reference to important features in the graph, describe
and explain the two sets of results.
(4)
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(Total for Question 11 = 4 marks)
PhysicsAndMathsTutor.com June 2014 (R)
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8*P43272A0828*
12 In 2012, building commenced on the International
Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in France. The aim is for
this fusion reactor to be working by 2020.
(a) (i) Describe the process of nuclear fusion.(2)
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(ii) Explain why it is difficult to maintain the conditions
needed for nuclear fusion in a reactor.
(2)
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(b) Explain why the fusion of hydrogen nuclei should release
energy.(2)
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(Total for Question 12 = 6 marks)
PhysicsAndMathsTutor.com June 2014 (R)
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9*P43272A0928* Turn over
*13 Describe the similarities and differences between electric
and gravitational fields.(6)
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(Total for Question 13 = 6 marks)
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*P43272A01028*
14 Some types of smoke detector contain a radioactive isotope of
americium, 241Am. The nuclei of 241Am decay by emitting an alpha
particle.
The diagram shows part of a smoke detector. The detectors use a
small amount of 241Am to make the air between two metal plates
conduct charge.
(a) (i) Explain why a stream of alpha particles will cause
charge to flow between the metal plates.
(2)
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(ii) Suggest how smoke particles entering the space between the
plates will cause the current to decrease.
(1)
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alpha particles
americium 241
air to cell
+
metal plate
metal plate
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11
*P43272A01128* Turn over
(b) (i) The decay of 241Am is said to be random and spontaneous.
State what is meant by random and spontaneous.
(2)Random
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Spontaneous
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(ii) Complete the equation for the decay of 241Am.(2)
241... . . . . . . . . .
$P . . . . . . . . . . . .93 Np + ... . . . . . . . . .. . . . .
. . . . . . .(Total for Question 14 = 7 marks)
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12
*P43272A01228*
15 It is suggested that before making tea in a teapot, the
teapot should be warmed by pouring hot water into it. This allows
more flavour to be extracted from the tea.
(a) Suggest why a pre-warmed teapot may allow more flavour to be
extracted.(1)
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(b) (i) 0.26 kg of water at 95 C is added to a stainless steel
teapot. In a very short time the teapot and water both reach a
temperature of 81 C.
Show that the energy transferred from the water is about 15
kJ.
specific heat capacity of water = 4200 J kg K(2)
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(ii) Calculate the specific heat capacity of stainless steel,
stating any assumption you make.
mass of teapot = 0.43 kg initial temperature of teapot = 22
C
(3)
Assumption .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Specific heat capacity = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(iii) The accepted value for the specific heat capacity of
stainless steel is about 500 J kg1 K. Compare this with the value
you have calculated and explain the difference.
(2)
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16 Radioactive isotopes are often used as markers, so that
chemical substances can be traced around the body. In one medical
procedure tritium is used as a means of studying protein absorption
by the intestine.
A patient was given a sample containing the tritium to drink and
then monitored. The initial activity of the sample was 3450 Bq.
Tritium is a beta-emitter with a half-life of 3.89 108 s.
(a) State what is meant by the activity of a radioactive
source.(1)
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(b) Show that the decay constant of the tritium is about 1.8 109
s1 and hence calculate the number of tritium nuclei in the initial
sample.
(3)
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Number of nuclei = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) (i) Show that the time taken for the activity of the sample
to fall to 10% of its initial value is about 40 years.
(3)
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(ii) Comment on the time given in (c) (i).(1)
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*P43272A01628*
17 The first satellite weather picture was taken in 1960. Today
more than 200 weather satellites are in use. Some of these
satellites are in a geostationary orbit around the Earth, so that
they remain at the same point above the Earths surface all the
time.
(a) (i) Show that the magnitude of the gravitational field
strength g at a point outside of the Earth is given by
g GMr
= 2
where r is the distance of the point from the centre of the
Earth and M is the mass of the Earth.
(2)
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(ii) Use this expression together with an expression for the
centripetal acceleration to show that the radius of a satellites
orbit is given by
23
24GMTr =
where T is the time for one orbit of the satellite.(3)
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(iii) Hence calculate a value for the radius of the
geostationary orbit.
M = 6.0 1024 kg(3)
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Radius = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) State why all geostationary satellites are in an orbit above
the Earths equator.(1)
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18 Guitar strings can oscillate with simple harmonic motion.
Shortly after the string is plucked, a standing wave exists on
the string. The simplified diagram below shows a string in three
positions of the standing wave.
(a) State what is meant by simple harmonic motion.(2)
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(b) (i) Describe the acceleration of point X on the string as it
moves between the extreme positions of its motion.
(2)
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(ii) Comment on the energy changes in the string as it moves
between the extreme positions of its motion.
(3)
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(c) The oscillating string has a length of 0.53 m. Calculate the
frequency of the sound emitted when the string oscillates as shown
previously.
speed of the wave on the string = 270 m s1(3)
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Frequency = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Total for Question 18 = 10 marks)
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19 (a) The Herzsprung-Russell (H-R) diagram is one of the most
important tools in the study of stellar evolution.
The H-R diagrams below are for a young star cluster and an old
star cluster.
Young star cluster Old star cluster
Use the diagrams to describe and explain how the old star
cluster is different from the young star cluster.
(6)
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(b) Trigonometric parallax is one way in which stellar distances
can be measured.
Astronomers measure the parallax angle for two nearby stars. The
parallax angle for star A is 3.74 106 rad and that for star B is
1.84 107 rad.
(i) Without calculation, state what can be deduced from this
data about the relative distances of the two stars.
(1)
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(ii) The diagram shows the parallax angle for star A.
Calculate the distance of star A from the Earth.
1 A.U. is 1.50 1011 m(2)
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Distance = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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E2
E1
S
1 A.U. star A
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23
*P43272A02328*
(c) In addition to finding the distances to stars astronomers
are interested in determining the temperatures of stars.
The spectrum of star A is shown below.
Use data from the graph to determine the surface temperature of
star A.(3)
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Temperature = .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Total for Question 19 = 12 marks)
TOTAL FOR SECTION B = 70 MARKS TOTAL FOR PAPER = 80 MARKS
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
radi
atio
n flu
x
/ m
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24
*P43272A02428*
List of data, formulae and relationships
Acceleration of free fall g = 9.81 m s2 (close to Earths
surface)
Boltzmann constant k = 1.38 10 J K
Coulombs law constant k = 1/40 = 8.99 109 N m2 C2
Electron charge e = 1.60 1019 C
Electron mass me = 9.11 1031 kg
Electronvolt 1 eV = 1.60 1019 J
Gravitational constant G = 6.67 10 N m2 kg
Gravitational field strength g = 9.81 N kg1 (close to Earths
surface)
3HUPLWWLYLW\RIIUHHVSDFH 0 = 8.85 10 F mPlanck constant h = 6.63
1034 J s
Proton mass mp = 1.67 10 kg
Speed of light in a vacuum c = 3.00 108 m s1
6WHIDQ%ROW]PDQQFRQVWDQW 8 W m2 K4Unified atomic mass unit u =
1.66 1027 kg
Unit 1
Mechanics
Kinematic equations of motion v = u + at s = ut + at2 v2 = u2 +
2as
Forces F = ma g = F/m W = mg
:RUNDQGHQHUJ\ W = Fs Ek = mv
2
Egrav = mgh
Materials
Stokes law F rv Hookes law F = kx Density = m/9 Pressure p =
F/A
Young modulus E = / where Stress = F/A Strain = x/x Elastic
strain energy Eel = Fx
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25
*P43272A02528* Turn over
Unit 2
Waves
Wave speed v = I Refractive index 12 = sin i /sin r =
v1/v2Electricity
Potential difference 9 = W/4 Resistance 5 = 9 / , Electrical
power, energy and 3 = 9, efficiency 3 = , 2R 3 = 9 2/R W = 9,t
% efficiency =useful energy output
100total energy input
% efficiency =useful power output
100total power input
Resistivity R = l /A Current , = 4 /t , = nqvA Resistors in
series R = R1 + R2 + R3
Resistors in parallel 1 1 1 1
1 2 3R R R R= + +
4uantum physics Photon model E = hf
Einsteins photoelectric hf = o/ + mv2max equation
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*P43272A02628*
Unit 4
Mechanics
Momentum p = mv
Kinetic energy of a non-relativistic particle Ek = p
2/2m
Motion in a circle v = r T = F = ma = mv2/r a = v2/r a = r2
Fields
Coulombs law F = k4142/r2 where k = 0 Electric field E = F/4 E =
k4/r2 E = 9/d Capacitance & = 4/9 Energy stored in capacitor W
= 49 Capacitor discharge 4 = 40et/RC In a magnetic field F = %,l
sin F = Bqv sin r = p/B4 Faradays and Lenzs Laws = d(No/ )/dt
Particle physics
0DVVHQHUJ\ E = c2 m de Broglie wavelength = h/p
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27
*P43272A02728*
Unit 5
Energy and matter
+HDWLQJ E = mc Molecular kinetic theory mc2 = /kT Ideal gas
equation p9 = NkT
Nuclear Physics
Radioactive decay dN/dt N = ln 2/t N = N0e
t
Mechanics
Simple harmonic motion a = 2x a = A2 cost v = A sint x = A cost
T = 1/ f = Gravitational force F = Gm1m2/r
2
Observing the universe
Radiant energy flux F = L/d 2 Stefan-Boltzmann law L = T 4A L =
r2T 4 :LHQV/DZ maxT = 2.898 103 m K Redshift of electromagnetic
radiation z = f / f v/c Cosmological expansion v = H0d
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*P43272A02828*
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